便携式经皮神经电刺激治疗仪波形发生器设计

姚松明，陆尧胜，陈 洋，黄焰文

便携式经皮神经电刺激治疗仪波形发生器设计

姚松明，陆尧胜，陈 洋，黄焰文

目的：设计一种用于便携式经皮神经电刺激治疗仪的波形发生器，可以直接连接作用于人体部位的电极片。方法：由低功耗控制器芯片STM32L152RB内部的DAC编程产生波形，采用由音频放大芯片LM4871组成的功率放大电路放大波形功率，利用三抽头输入变压器对波形进行双极性变换和电压放大。结果：实现了对频率范围为7~320 Hz的波形进行功率放大、双极性变换以及电压放大，输出波形峰峰值为0~70 V。结论：该波形发生器具有低功耗、便携式、安全隔离、频率和幅值软件控制等优点，能够输出一定频率任意组合的波形，为治疗波形的研究提供了良好的硬件平台。

经皮神经电刺激（TENS）；LM4871；波形；治疗仪

0 引言

TENS（transcutaneous electrical nerve stimulation）是一种周围神经粗纤维点刺激疗法，此疗法采用特定的低频脉冲电流作用于人体一定的表面部位，以减小或消除疼痛、恢复神经或肌肉功能[1]。1965年，加拿大学者梅尔扎克（Melzack R）和英国学者沃尔（Wall P D）提出痛觉闸门控制学说（GCT）。20世纪70年代，沃尔和Sweet提出经皮神经电刺激[2]。闸门学说[3]认为，TENS是一种对兴奋粗纤维的刺激，为关闭疼痛传入的闸门，从而缓解疼痛症状。内源性吗啡样物质释放的假说认为，TENS可以刺激人们释放出内源性吗啡样物质，从而达到镇痛的目的，并于1977年Chapman通过实验得以证实。TENS疗法在欧美各国被作为控制疼痛的常规疗法，并在临床逐步得到广泛应用。目前，国内外市场上基于TENS的便携式治疗仪种类繁多，包括按摩、捶打、推拿、火罐、针灸、热敷、揉、按等，用于缓解肌肉疼痛、促进血液循环等。大部分产品的不足之处主要表现为在规则电信号刺激的作用下，时间一长患者就会感觉刺激的减弱，如果要维持一定的主观感受刺激，就必须增加信号的刺激强度[4]。为了解决这些问题，本系统采用了MCU控制软件编程生成各种脉冲波形、双极性刺激，刺激波形、刺激频率、刺激强度可调，其变压器隔离输出技术安全可靠，可以有效地克服由于长时间保持一个波形和强度而产生的人体适应性问题，具有功耗低、可靠性高、使用灵活、携带方便等特点。

1 波形发生器的主要技术特点

经皮神经电刺激治疗仪是根据痛觉闸门控制学说与内源性吗啡样物质释放的假说，结合人体对电生理反应的特性设计的，同时为实现功耗低、可靠性高、使用灵活、携带方便等特点，对该仪器的设计提出了一系列技术要求：

（1）具有可选的刺激参数：不同频率的刺激激活体内不同种类的阿片系统。为达到最佳的刺激效果，

使人体内的3种主要的阿片类物质（脑啡肽、内啡肽、强啡肽）都释放出来[5]，所设计的波形发生器应能输出各种频率的刺激脉冲，同时实现不同频率的脉冲合理组合与软件切换。

（2）刺激波形是双极性对称的脉冲波形：为消除直流电刺激产生的组织极化现象[6]，波形发生器输出为正、负交替的脉冲波形，正负双向对称，直流分量相互抵消，以达到最佳的治疗效果。

（3）便携、安全、节能：为实现方便携带、低功耗以及安全等要求，本波形发生器采用3节7号电池供电，方便携带；为了安全起见，采用低功率隔离变压器对称功率输出；利用音频功放芯片放大功率，避免了开关电源技术实现DCDC变换的功率损耗[7]以及采用低功耗CPU芯片减少控制器功率损耗，从而实现便携式、安全以及低功耗的要求。

2 电路方案

图1为系统总框图。微控制器（micro control unit，MCU）通过DAC通道输出治疗波形，RC高通滤波电路对波形滤波，音频放大芯片LM4871组成的功率放大电路对波形功率放大，三抽头输入变压器实现极性转换、安全隔离、电压放大功能，最后RC低通滤波电路对波形滤波，滤除高频成分，实现波形稳定输出。

MCU选用意法半导体公司（ST）研发的低功耗STM32L系列单片机STM32L152RB，符合低功耗要求；具有多个中断和定时器，满足控制要求；能够驱动小型OLED屏幕，GPIO读取按键状态以及DAC通道输出波形，满足系统的设计需求[8]。

波形产生方法为：通过软件编程控制DAC输出的各种不同频率和幅度组合的波形，加上外部功率和电压放大，从而控制输出波形的频率和幅度。从DAC输出的信号，经RC高通滤波器，其截止频率为：

其中，R的单位为Ω，C的单位为μF。

波形经过RC高通滤波后，输入到由LM4871组成的功率放大电路，如图2所示。

LM4871的管脚3和4是输入端，管脚5和8是输出端，其输出信号与输入信号的幅值关系为：

图2 功率放大电路图

LM4871的输出功率与负载阻抗有关，其关系图如图3所示。

图3 LM4871输出功率和负载阻抗匹配图

纵坐标代表输出功率，单位为W；横坐标代表负载阻抗，单位为Ω。设变压器初级/次级的匝数比为n∶1，根据变压器的特性，可以推出变压器的初级阻抗为：

其中，Z1为变压器的初级阻抗，Z2为变压器的次级阻抗。

变压器匝数比为0.05∶1，负载电阻为人体阻抗，约3 kΩ，此时初级负载Z1=3 000/400=7.5 Ω。由图3可知，此时LM4871输出功率为1.5 W左右。此时，假如输出波形占空比为1，输出电压为最大值70 V，负载电阻为人体阻抗约3 kΩ，则输出功率为：

TENS输出波形的占空比很小，大多数波形的占

空比是百分之一，甚至是千分之一，所以，LM4871的输出功率完全满足设计要求。

图4 极性转换电路图

从功率放大电路输出的波形信号，输入到三抽头隔离变压器，功率放大芯片的管脚8接变压器输入端的中间抽头。管脚5通过选通三极管接到变压器输入端的另外2个抽头，如图4所示。接到MCU的GPIO管脚。当接到电阻的GPIO为高电平，接到的GPIO为低电平时，Q5和Q7导通，Q4和Q6截止，波形信号从变压器的中间端流向变压器1端，经过Q7返回反之，当接到电阻的GPIO为低电平，接到的GPIO为高电平时，Q5和Q7截止，Q4和Q6导通。这样，周期性极性相反的控制信号接到能实现将单极性波形向双极性波形转变。

经过变压器后，变压器次级输出的波形幅值增大，单极性波形变成双极性波形。最后在输出电路中为了提高波形的保真性，设计了一阶低通滤波电路以去除变压器带来的高频成分，电路图如图5所示。

图5 电压放大模块电路图

在低通滤波器中，截止频率为：

3 测试结果

该波形发生器设计方案的技术指标理论值为输出波形峰峰值0~70 V，波形频率为8~318 Hz。实测指标实现编程输出各种组合的波形，当DAC通道输出为0 V时，波形发生器输出幅值为0 V；当DAC通道输出为2.1 V（小于MCU供电电压3.3 V）时，波形发生器输出峰峰值为0~70 V。输出幅度一定时，只改变输出波形的频率，记录在示波器上的输出波形幅值为原来波形幅值的0.707倍时的频率值，得出输出频率为7~320 Hz。测试结果表明，所设计的波形发生器达到了预期的目标。

以治疗波形为双极性对称方波验证，测试结果截图如图6所示。由实际测量截图可知，由于变压器及低通滤波器的充放电效应，实际波形会有些许变形，但仍然能够很好地达到治疗波形的基本要求。

图6 测试结果截图

4 结论

本文主要介绍了一种便携式TENS治疗仪波形发生器的设计，其中分析了MCU芯片的选取、功率放大功能的实现、变压器负载与音频放大芯片LM4871的功率阻抗匹配、单极性波形向双极性波形的转换以及电压放大电路的设计等。实现了对单片机输出的治疗波形的功率放大、极性转化以及电压放大输出；输出波形频率为7~320 Hz，峰峰值为0~ 70 V，完全由程序控制DAC通道实现幅值和频率软件配置[9]。该TENS治疗仪波形发生器相比以往的同类仪器电路更为简单，同时具备便携式、安全、低功耗的优点，能很好地实现任意组合波形的放大输出，为TENS治疗仪的功能研究提供了更为方便易用的

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波形发生装置。另外，如果要得到频率超出320 Hz的波形，只需要修改输出端RC低通滤波参数即可，系统升级简单[10]。

[1]单纯玉，孙大军.恒流型TENS治疗仪的设计[J].中国医疗器械杂志，2003，27（6）：442-443.

[2]秦潮，朱衡.痛觉闸门控制学说的新修改与评价[J].国外医学：麻醉学与复苏分册，1985（4）：4.

[3]缪鸿石.经皮电刺激镇痛疗法[J].国外医学：物理医学与运动医学分册，1981（1）：13-15.

[4]黄大勉，徐学奎.智能电针治疗仪原理与实现[J].电子技术，2006（2）：19.

[5]余学飞.单片机控制的便携式低频电疼痛治疗仪的研制[J].医疗卫生装备，2004，25（8）：12-13.

[6]王显安，陆尧胜，沈以鸿.一种新型低频脉冲治疗仪的研制[J].医疗卫生装备，2005，26（12）：13-14.

[7]裴跃生.基于FPGA的便携式低频脉冲治疗仪的研制[D].重庆：重庆大学，2009.

[8]DawoodMY，Ramos J.Transcutaneous electrical nerve stimulation（TENS）for the treatment of primary dysmenorrhea：A randomized crossover comparison with placebo TENS and ibuprofen[J].Obstetrics amp;Gynecology，1990，75（4）：656-660.

[9]林家瑞.微机式医学仪器设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[10]邓亲恺.现代医学仪器设计原理[M].北京：科学出版社，2004.

（收稿：2013-08-21 修回：2013-10-09）

Design of Waveform Generator for Portable Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation Device

YAO Song-ming,LU Yao-sheng,CHEN Yang,HUANG Yan-wen
(Jinan University，Guangzhou 510632,China)

Objective To design awaveform generator for portable transcutaneous electricalnerve stimulation device,which canbe connected with the electrodes directly on parts of the body.Methods Thewaveform was generated by the internal DAC pro-gramming of low-power-consumption controller chip STM32L152RB,and was amplified by the circuitwith audiofrequency am-plifier chip LM4871,and then underwentbipolar conversion and voltage amplification by a triple stub input transformer.ResultsThewaveformswith the frequencies ranging from 7 to 320 Hz could be processed with power amplification,bipolar conversionand voltage amplification,with thewave peak values between 0 and 70 V.Conclusion Thewaveform generator is portable,safelyisolated and low-power-consumption,which can control the frequency and amplitude by software and output freely assembledwaveformswith certain frequencies,and thusprovidesa hardware platform for studying therapeuticwaveform.[Chinese Medi－cal Equipment Journal，2014，35（3）：7-9，13]Key words transcutaneouselectricalnerve stimulation(TENS);LM4871;waveform;therapeutic apparatus

transcutaneous electrical nerve stimulation(TENS);LM4871;waveform;therapeutic apparatus

R318.6；TH772

A

1003-8868（2014）03-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.007

广东省科技厅社会发展项目（2012A032200003）；天河区科技计划项目（201207YH017）

姚松明（1986—），男，硕士研究生，研究方向为信号与信息处理机及智能医疗仪器，E-mail：624009107@qq.com；陆尧胜（1956—），男，教授，主要从事生物医学信号检测与处理方面的研究工作，E-mail：tluys@jnu. edu.cn。

510632广州，暨南大学（姚松明，陆尧胜，陈 洋，黄焰文）